既有框剪結構加固方案探討及實例分析

曾 華

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

目前，我國越來越多的存量建筑面臨著功能提升和維修改造，隨著《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068—2018）全面實施，C類建筑（即在2001年以后建造的現有建筑）的結構改造工程面臨著更大的挑戰[1-2]。文章以某工程的加固設計方案比選為例，簡單介紹大跨度樓板改造過程中的設計難點與關鍵點。

1 工程概況

該工程位于廣州市琶洲村，6#樓為7層公共建筑，1～2層為商鋪，3～7層為辦公區，首層高5m，其余層高4.5m，建筑總高度為32.0m；地下共2層，為機動車庫及設備用房。

6#樓為框架核心筒結構，建筑設計使用年限50年，結構安全等級二級，為標準設防類，抗震設防烈度7度（0.10g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為C類，特征周期為0.35s，基本風壓為0.50kN/m2。框架抗震等級三級，剪力墻抗震等級二級。

該工程要求對原二樓商鋪部分區域進行改造，改造前功能為商場，改造后的功能為密集書柜、機房、電池室、健身房、廚房區域等，廚房區域有地溝，需進行降板回填處理。原商場設計時為獲得大空間利用率與凈高，采用大跨度梁板設計，結構板采用雙向板，改造為密集書柜所在板跨為12.05m×10.7m、板厚為250mm，改造為電池室所在板跨為13.55m×8m、板厚150mm。該工程依據《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023—2009），加固類別為C類，適用后續使用年限50年建筑，按2010系列規范采用設計內力調整系數。

2 結構計算與方案比選

該工程采用北京盈建科軟件有限責任公司提供的盈建科建筑結構設計軟件YJK-A進行整體結構分析，整體指標計算采用強制剛性樓板假定，其余計算不采用強制剛性樓板假定。將加固房屋的梁板柱、剪力墻等全樓模型按竣工尺寸建模，根據改造后的功能進行荷載輸入，各層構件的強度等級和鋼筋強度等級均按鑒定報告測定值輸入，梁柱內的鋼筋按實配輸入。依據盈建科建模后，改造后二層建筑平面圖以及建筑物三維結構視圖如圖1、圖2所示。

依照現行規范以及受建筑功能變化的影響，結構荷載變化如表1所示。

根據《通信建筑工程設計規范》（YD 5003—2014），電池室的活載組合系數為0.9，通過計算，新增荷載后構件的彎矩與剪力增大，約為原設計值的2～3倍。依據計算結果分析與對比各類加固方案。

圖1 改造后二層建筑平面圖

圖2 三維視圖

2.1 增大截面法

增大截面法是在構件外部外包混凝土，以達到增大構件截面面積和配筋量的加固方法，該方法可顯著提高構件承載能力。增大截面法是一種傳統的加固方法，工藝簡單，適用面廣，可廣泛用于梁、板、柱、墻等混凝土結構的加固。

該工程電池室所在區域跨度為13.55m的結構梁不滿足承載力要求，需加固。當采用增大截面法加固該梁時，受建筑凈高影響，梁底擬增加150mm，梁頂增加60mm，梁兩側各增寬50mm，根據計算結果，梁底筋需新增16根直徑為25mm的三級鋼。一方面該梁跨度較大，需兩端分別植入直徑為25mm的三級鋼，大直徑鋼筋不易彎折，植入鋼筋的對接有難度；另一方面，植筋數量過多，原柱鋼筋較密，植筋需避免損傷原柱主筋，施工難度過大，方案不可行。

對于結構板而言，采用增大截面法時，在提高結構板受彎承載力的同時，也因樓板加厚加大了樓面恒載，對整個結構而言，梁柱荷載均提高，綜合考慮加固的性價比不高。

2.2 粘貼鋼板與粘貼碳纖維布法

粘貼鋼板加固法是在混凝土構件表面用特制的建筑結構膠粘貼鋼板，使其共同工作、整體受力，以提高結構承載力的一種加固方法。粘貼纖維復合材料加固法是采用高性能粘結劑將纖維復合材料粘貼在構件表面，使得兩者協同工作，提高結構的抗彎和抗剪承載力[3]。規范中要求加固后正截面受彎承載能力提高幅度不大于40%，該工程加固幅度大于40%，不滿足規范要求。

表1 加固前后荷載對比表

2.3 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是在結構構件四周包以型鋼進行加固的方案，外包的鋼構架可以完全代替或部分代替原構件工作。該方法可在不增大構件截面尺寸的情況下提高構件承載力，增大結構延性和剛度，大幅度提高結構抗震能力，但該方案造價較昂貴，施工要求高。該工程該方案計算結果顯示：部分主梁不滿足節點核心區受剪條件，且支座處負筋超限。對于結構板而言，需設置鋼梁減小板跨度，使結構板正截面受彎承載能力滿足改造后的功能。

2.4 新增支點法與粘貼鋼板綜合加固法

新增支點法是通過新增型鋼鋼柱和鋼梁，減小原梁板跨度，從而提高結構承載力的一種加固方法。該工程根據地下室現有布局，在不影響地下室使用功能和基本滿足基礎設計要求的前提下，新增約12根鋼柱。目前計算結果顯示該方法可行，然而梁板部分雖因新增的鋼梁減小了跨度，但部分區域仍不滿足要求，需進行粘貼鋼板或碳纖維板局部加固。該方案缺點：影響一樓大廳的凈高以及地下室布局，需要重新進行建筑及裝飾設計。另外，采用該方案時，對于大跨度梁，新增鋼梁尺寸擬定為HN650×300×11×17，總重約1.2t，施工有一定難度，關鍵節點連接處抗剪計算尤為重要。

2.5 體外預應力綜合加固法

體外預應力加固是通過拉拔鋼絞線或高強鋼絲等鋼材，對構件施加體外預應力，從而使預加力產生的反彎矩抵消部分外荷載引起的內力，能較大幅度地提高構件極限承載力的一種加固方法。現階段，該方法在我國多應用于混凝土橋梁的加固，房屋結構的加固應用實例較少[4]。對于跨度較大的連續梁，在承載力需大幅度提高時，可采用體外預應力綜合加固方法，通過在梁底新增體外預應力鋼索、梁頂采用粘貼鋼板或碳纖維布等方式進行加固，從而提高主梁剛度，并大幅減小梁撓度，改善混凝土梁的抗裂性能，提高結構的耐久性[5]。依據該工程項目特點，可采用體外預應力綜合加固，在連續梁中采用高強粗鋼筋作為斜拉桿，滑塊設置在梁的兩個三分點處，水平筋采用鋼絲束，用錨頭將鋼絲束兩端錨固在梁頂端部。該方案施工工期短，不影響原有布局，對原結構損傷較小。缺點在于對建筑物層高有一定影響，施工技術要求高，后期維護成本高。

3 結束語

從上述分析對比各類加固方法的優缺點，具體如表2所示。

根據上述討論，增加支點法與體外預應力綜合加固法更適用于大跨度樓板的加固。增加支點法需根據既有建筑的結構分布，在不影響地下室和地上建筑使用功能的前提下布置新增的支點，對于大跨度連續梁，該方法能有效地降低梁跨中彎矩。體外預應力綜合加固法的關鍵在于兩端體外鋼索的錨固，需計算錨固位置的受剪性能，避開鋼筋密集部位，同時體外預應力的施工技術要求高，需定期維護。

表2 各類加固方案對比表